EP3529889B1 - Procedes et dispositifs relatifs a l'estimation d'une position angulaire d'un rotor - Google Patents

Procedes et dispositifs relatifs a l'estimation d'une position angulaire d'un rotor Download PDF

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EP3529889B1
EP3529889B1 EP17823019.9A EP17823019A EP3529889B1 EP 3529889 B1 EP3529889 B1 EP 3529889B1 EP 17823019 A EP17823019 A EP 17823019A EP 3529889 B1 EP3529889 B1 EP 3529889B1
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EP
European Patent Office
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estimation module
rotor
phase currents
measurements
angular position
Prior art date
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EP17823019.9A
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German (de)
English (en)
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EP3529889A1 (fr
Inventor
Zaatar MAKNI
Etienne PEROT
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Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Systemes de Controle Moteur SAS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed

Definitions

  • the present invention relates to the field of estimating an angular position of a rotor.
  • Permanent magnet motor drives are usually equipped with a mechanical sensor to measure the position of the rotor and, by extension, the speed of the rotor.
  • the position information of the rotor is compulsory to carry out the control of the oriented field (from the English: “Field Oriented Control” or FOC), which guarantees an efficient production of torque.
  • precise information about the position of the rotor is essential for safety reasons in the particular context of electric and hybrid vehicles.
  • an encoder or else a resolver is generally associated with the electrical machine.
  • the document US2014 / 139172 describes an electric machine comprising an inverter control device according to the preamble of claim 12.
  • model-based sensorless strategies are very dependent on this model and very sensitive to non-ideal physical attributes to namely: the non-linearities of the inverter and the electrical machine, signal processing delays, saturation, etc.
  • the object of the invention is to alleviate at least in part the above drawbacks.
  • the phase currents are expressed in the form of two components only, for example the two components of a benchmark fixed with respect to the stator, for example the Clarke or Concordia benchmark.
  • phase currents are expressed in their natural form, that is to say in the form of components formed by the individual phase currents respectively.
  • the operating points are defined by a rotational speed of the rotor and by a torque supplied by the electric machine.
  • the speed of rotation of each operating point is separated from the speed of rotation of the nearest operating point by at most 1000 revolutions per minute.
  • the torque value of each operating point is separated from the torque value of the closest operating point by at most 25 N.m.
  • the estimation module is designed to estimate the angular position of the rotor from, in addition to the phase currents, voltages representative of phase voltages applied respectively to the stator phases of the electric machine, the method comprises in in addition to obtaining the representative voltages for each of the operating points of the electrical machine, so that each measurement associates the phase currents and the representative voltages with the angular position, and, when learning the generic function, the Representative voltages are used, in addition to phase currents, as input data for the generic function.
  • the representative voltages are phase voltage setpoints.
  • the representative voltages are expressed in the form of two components only, for example the two components of a frame fixed with respect to the stator, for example the Clarke or Concordia frame.
  • the drive system 100 firstly comprises an electric machine 102 comprising a rotor 104 and a stator 106 comprising three stator phases A, B, C.
  • the electric machine 102 is a synchronous machine with permanent magnets. .
  • the drive system 100 further comprises a DC voltage source 108 designed to provide a DC voltage V.
  • the DC voltage source 108 comprises a battery.
  • the drive system 100 further comprises an inverter 110 designed to respectively supply the stator phases A, B, C with phase voltages v A , v B , vc alternating from the DC voltage source 108, so that that phase currents i A , i B , ic flow through the stator phases A, B, C and that the rotor 104 rotates with respect to the stator 106.
  • an inverter 110 designed to respectively supply the stator phases A, B, C with phase voltages v A , v B , vc alternating from the DC voltage source 108, so that that phase currents i A , i B , ic flow through the stator phases A, B, C and that the rotor 104 rotates with respect to the stator 106.
  • the quantities attached to the stator phases can be expressed in several ways. They can be expressed in natural form, that is to say by all the individual stator quantities, or else in a frame attached to the stator 106 by two components only, for example in the Clarke frame by the two components ⁇ and ⁇ , or else in a rotating frame attached to the rotor 104 by two components only, for example in the frame dq by the two components d and q.
  • phase currents will be denoted [i] when they are referred to independently of how they are represented.
  • they will be denoted i A , i B , i C when they are expressed in their natural form, i ⁇ , i ⁇ when they are expressed in the Clarke coordinate system, and i d , i q when they are expressed in the dq reference.
  • the drive system 100 further comprises a measuring device 112 designed to measure the phase currents i A , i B , ic flowing respectively through the stator phases A, B, C.
  • the drive system 100 further includes a controller 114 adapted to control the inverter 110 so as to rotate the rotor 104 relative to the stator 106.
  • the control device 114 firstly comprises a conversion module 116 designed to express the phase currents i A , i B , ic in the form of two components only.
  • the phase currents i A , i B , ic are expressed in a fixed reference, that is to say attached to the stator 106. In the example described, they are expressed in the Clarke reference in the form components i ⁇ , i ⁇ .
  • the control device 114 further comprises an estimation module 118 designed to estimate an angular position ⁇ of the rotor 104 with respect to the stator 106 from the phase currents [i], in the example described from the phase currents i ⁇ , i ⁇ .
  • the angular position ⁇ is expressed in the form of the two variables sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ).
  • the angular position ⁇ is used in the module 126 in the form of the two variables sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ).
  • the use of the two variables sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ) makes it possible to avoid the error of modulo 2 ⁇ (that is to say the confusion between ⁇ and ⁇ + 2 ⁇ ).
  • the estimation module 118 could be designed to estimate the angular position ⁇ of the rotor 104 from the phase currents i A , i B , ic.
  • the transformation module 116 would be eliminated and the estimation module 118 would directly receive the phase currents i A , i B , ic measured by the measuring device 112.
  • the control device 114 further comprises a control module 120 designed to control the inverter 110 from the angular position ⁇ of the rotor 104 and from a torque setpoint C *.
  • the torque setpoint C * could be replaced or supplemented by a speed setpoint ⁇ *.
  • the control module 120 comprises a module 122 designed to determine, from the torque setpoint C *, phase current setpoints [i *] expressed in the reference dq in the form of the components i d *, i q * .
  • the control module 120 further comprises a module 124 designed to determine, from the phase current setpoints i d *, i q *, phase voltage setpoints [v *] expressed in the reference dq in the form of components v d *, v q *.
  • the control module 120 further comprises a conversion module 126 designed to convert the phase voltage setpoints v d *, v q * into phase voltage setpoints [v *] expressed in the Clarke coordinate system in the form of the two components v ⁇ *, v ⁇ *. This conversion requires knowledge of the angular position ⁇ of the rotor 104, which is provided by the estimation module 118.
  • the control module 120 further comprises a module 128 designed to control the inverter 110 as a function of the phase voltage setpoints v ⁇ *, v ⁇ *, so that the inverter 110 supplies phases A, B, C with respective phase voltages v A , v B , vc corresponding to the phase voltage setpoints v ⁇ *, v ⁇ *.
  • control device 120 comprises a computer system comprising a processing unit (not shown) and a memory (not shown) in which is recorded a computer program intended to be executed by the processing unit.
  • a computer system comprising a processing unit (not shown) and a memory (not shown) in which is recorded a computer program intended to be executed by the processing unit.
  • the modules described above are implemented in the example described in the computer program in the form of computer modules intended to be executed by the processing unit.
  • all or part of the modules could be implemented in hardware form, that is to say in the form of an electronic circuit not involving a computer program.
  • the design system 200 first includes the electrical machine 106 and the measuring device 112 of the figure 1 .
  • the design system 200 further comprises a device 202 for measuring the angular position ⁇ of the rotor 104.
  • the design system 200 further includes a learning device 204.
  • the learning device 204 firstly comprises a memory 206.
  • the learning device 204 further comprises an acquisition module 208 designed to record, in the memory 206, the phase currents [i] and of the angular position ⁇ of the rotor 104 measured by the measuring devices 112, 202.
  • each of the measurements 210 associates the phase currents [i] measured with the angular position ⁇ measured for an operating point.
  • an operating point is defined by, on the one hand, a torque supplied by the electric machine 102 and, on the other hand, the speed of rotation ⁇ of the rotor 104.
  • the acquisition module 208 is designed to convert the phase currents i A , i B , ic received from the measuring device 112 into phase currents expressed in a fixed reference in the form of two components.
  • the Clarke coordinate system is used and, in the measurements 210, the phase currents [i] are expressed in the form of the two components i ⁇ , i ⁇ .
  • the learning device 204 further includes a generic function 212 stored in the memory 206.
  • the generic function 212 is a function designed to receive input data and to provide output data from the input data.
  • the generic function 212 presents parameters intended to be modified during a learning phase (“ machine learning” in English) so as to obtain an instructed function 212.
  • the learning device 204 further comprises a learning module 214 designed to perform the learning of the generic function 212 from a first part of the measurements 210, called learning measurements, in order to obtain an instructed function 212.
  • the training module 214 is designed, for each training measurement, to use the phase currents [i] as data and the angular position ⁇ as output data of the generic function 212.
  • the training module 214 is designed to modify the parameters of generic function 212 so that when the input data i.e. phase currents i ⁇ , i ⁇ are applied to the generic function 212, the latter gives results close to the output data, that is to say the angular positions ⁇ , respective of the learning measurements.
  • the generic function 212 and the learning conform for example to one of the following four learning methods.
  • the fourth learning method uses a three-layer neural network (one input layer, one hidden layer, and one output).
  • the input layer has as many neurons as there are input data, that is to say two neurons in the example described where the data input are the phase currents i ⁇ , i ⁇ .
  • the output layer comprises as many neurons as there are output data, that is to say two neurons in the example described where the position is expressed by the two variables sin ( ⁇ ) and cos ( ⁇ ).
  • the hidden layer comprises for example between two and ten neurons.
  • the hidden layer comprises the number of neurons given by the following formula: (number of input neurons + number of output neurons) / 2. This formula gives three neurons in the hidden layer in the example described.
  • the neural network is thus small, and the learning phase is rapid and the calculations necessary to run the model are simple.
  • the learning module 214 is further designed to test the learned function 212 from a second part of the measurements, called test measurements. To perform this test, the learning module 214 is designed, for each test measurement, to use the phase currents [i] as input data of the instructed function 212 and to obtain an angular position estimate at the output of the learned function 212. The learning module 214 is further designed to determine an estimation error by comparing the angular position estimate with the angular position of the test measurement. The learning module 214 is further adapted to determine an evaluation score from the estimation errors and to compare the evaluation score with a predetermined threshold to determine whether or not the test of the learned function has passed.
  • the method 300 firstly comprises a method 302 for designing the estimation module 118.
  • the method 302 comprises first of all the measurement 304, by the measuring devices 112, 202, of the phase currents [i] and of the angular position ⁇ of the rotor 104 for each of several operating points of the electric machine 106 and the acquisition of the measurements by the acquisition module 208.
  • each of the measurements 210 recorded associates the phase currents [i] measured at the angular position ⁇ measured for a respective operating point.
  • the phase currents [i] are in the form of the two components i ⁇ , i ⁇ .
  • the method 302 further comprises the learning 306, by the learning module 214, of the generic function 212 from the learning measurements.
  • the method 302 further comprises the test 308, by the learning module 214, of the learned function 212 from the test measurements.
  • the method 300 furthermore comprises, if the test is successful, the implementation 310 of the instructed function 212 in the estimation module 118 so that the latter uses it to estimate the angular position ⁇ of the rotor 104 from the currents phase [i]. Otherwise, the instructed function 212 is not implemented in the estimation module 118.
  • the method 300 further includes fabricating 312 of the controller 114 such that it comprises: the estimation module 118 using the learned function 212, and a control module 120 adapted to control the inverter 110 from. of the angular position ⁇ estimated by the estimation module 118 and of a torque setpoint C *, so as to rotate the rotor 104 relative to the stator 106.
  • the crosses and circles indicate the operating points where measurements are made, the circles representing the maximum torque.
  • the rotational speed of each operating point is separated from the rotational speed of the nearest operating point by at most 1000 revolutions per minute.
  • the torque value of each operating point is separated from the torque value of the closest operating point by at most 25 Nm.
  • the above graph represents the change in the angular position (on the y-axis, in radians) of the rotor 104, measured by the measuring device 202, over time (on the x-axis, in seconds).
  • the estimation module 118 is used to estimate the angular position
  • the graph below represents the difference (on the y-axis, in radians) between the measured angular position and the estimated angular position, over time (on the x-axis, in seconds). As can be seen, the deviation remains less than 0.2 radians.
  • the drive system 600 is identical to the drive system 100, except that the estimation module 118 is designed to estimate the angular position ⁇ of the rotor 104 from, in addition to the phase currents [i] , voltages representative of phase voltages [v].
  • the representative voltages are the voltage setpoints [v *].
  • the voltage setpoints [v *] are expressed in the Clarke coordinate system in the form of the components v ⁇ *, v ⁇ *.
  • the representative voltages could be the phase voltages [v], for example measured by a suitable measuring device (not shown).
  • These phase voltages [v] could be used by the estimation module 118 in their natural form v A , v B , v C or else in the Clarke coordinate system in the form of the components v ⁇ , v ⁇ .
  • the design system 700 is identical to the design system 200, except that first the acquisition module 208 is designed to record, in the memory 206, the phase currents [i], the representative voltages. and the angular position ⁇ of the rotor 104.
  • each of the measurements 210 associates the measured phase currents [i] and the representative voltages with the angular position ⁇ measured for a respective operating point.
  • the training module 214 is designed, for each training measurement, to use, in addition to the phase currents [i], the representative voltages as input data of the generic function 212 and the angular position ⁇ as the output data of the generic function 212.
  • the learning module 214 is designed to modify the parameters of the generic function 212 so that when the input data, that is, ie the phase currents [i] and the representative voltages, are applied to the generic function 212, the latter giving results close to the respective angular positions ⁇ of the learning measurements.
  • the method 300 can be used for the design of the estimation module 118 of the figure 6 , except that the learning of the generic function 212 and the test of the learned function 212 are carried out from, in addition to the phase currents [i], the representative voltages.
  • the invention could be applied to other types of electrical machines, for example to asynchronous machines.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • La présente invention concerne le domaine de l'estimation d'une position angulaire d'un rotor.
    • ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Les commandes de moteurs à aimants permanents sont généralement équipées d'un capteur mécanique pour mesurer la position du rotor et, par extension, la vitesse du rotor. En effet, l'information de position du rotor est obligatoire pour effectuer le contrôle du champ orienté (de l'anglais : « Field Oriented Control » ou FOC), qui garantit une production efficace de couple. En plus de ces exigences fonctionnelles, des informations précises sur la position du rotor sont essentielles pour des raisons de sécurité dans le contexte particulier de véhicules électriques et hybrides. Ainsi, un codeur ou bien un résolveur est généralement associé à la machine électrique.
  • Par exemple, le document US2014/139172 décrit une machine électrique comprenant un dispositif de commande d'un onduleur selon le préambule de la revendication 12.
  • Toutefois, cela augmente le coût et la complexité et peut compromettre la fiabilité. Par conséquent, il y a eu un fort intérêt à éliminer le capteur de position ou à le redonder par un estimateur logiciel. Des systèmes ont été proposés pour le contrôle sans capteur (en anglais : « sensorless ») des moteurs à aimants permanents, basés sur un modèle de la machine électrique.
  • Cependant, les stratégies sans capteur basées sur un modèle sont très dépendantes de ce modèle et très sensibles aux attributs non idéaux physiques à savoir : la non-linéarités de l'onduleur et de la machine électrique, les retards de traitement du signal, la saturation, etc.
  • L'invention a pour but de pallier au moins en partie les inconvénients précédents.
    • RÉSUMÉ DE L'INVENTION
  • À cet effet, il est proposé un procédé de conception d'un module d'estimation destiné à estimer une position angulaire d'un rotor d'une machine électrique par rapport à un stator de cette machine électrique à partir de courants de phase destinés à parcourir respectivement des phases statoriques de la machine électrique, la conception du module d'estimation comportant :
    • la mesure des courants de phase et de la position angulaire du rotor pour chacun de plusieurs points de fonctionnement de la machine électrique, de manière à obtenir une pluralité de mesures associant chacune les courants de phase à la position angulaire,
    • l'apprentissage d'une fonction générique à partir d'une première partie des mesures, appelées mesures d'apprentissage, afin d'obtenir une fonction instruite, l'apprentissage étant réalisé en utilisant les courants de phase des mesures d'apprentissage comme données d'entrée de la fonction générique et la position angulaire des mesures d'apprentissage comme donné de sortie de la fonction générique,
    • l'implémentation de la fonction instruite dans un module d'estimation afin que le module d'estimation utilise la fonction instruite pour estimer la position angulaire du rotor à partir des courants de phase.
  • Grâce à l'invention, il n'est pas nécessaire de modéliser la machine électrique, ce qui permet d'éviter les inconvénients liés à cette modélisation.
  • De façon optionnelle, dans les mesures, les courants de phase sont exprimés sous la forme de deux composantes uniquement, par exemple les deux composantes d'un repère fixe par rapport au stator, par exemple le repère de Clarke ou de Concordia.
  • De façon optionnelle également, dans les mesures, les courants de phase sont exprimés sous leur forme naturelle, c'est-à-dire sous la forme de composantes formées par respectivement les courants de phase individuels.
  • De façon optionnelle également, le procédé comporte en outre :
    • le test de la fonction instruite à partir d'une deuxième partie des mesures, appelées mesures de test,
    et l'étape d'implémentation de la fonction instruite dans le module d'estimation est réalisée si le test est réussi, et n'est pas réalisée dans le cas contraire.
  • De façon optionnelle également, les points de fonctionnement sont définis par une vitesse de rotation du rotor et par un couple fourni par la machine électrique.
  • De façon optionnelle également, la vitesse de rotation de chaque point de fonctionnement est séparée de la vitesse de rotation du plus proche point de fonctionnement par au plus 1 000 tours par minute.
  • De façon optionnelle également, la valeur de couple de chaque point de fonctionnement est séparée de la valeur de couple du plus proche point de fonctionnement par au plus 25 N.m.
  • De façon optionnelle également, le module d'estimation est conçu pour estimer la position angulaire du rotor à partir, en plus des courants de phase, de tensions représentatives de tensions de phase appliquées respectivement aux phases statoriques de la machine électrique, le procédé comporte en outre l'obtention des tensions représentatives pour chacun des points de fonctionnement de la machine électrique, de sorte que chaque mesure associe les courants de phase et les tensions représentatives à la position angulaire, et, lors de l'apprentissage de la fonction générique, les tensions représentatives sont utilisées, en plus des courants de phase, comme données d'entrée de la fonction générique.
  • De façon optionnelle également, les tensions représentatives sont des consignes de tensions de phase.
  • De façon optionnelle également, dans les mesures, les tensions représentatives sont exprimées sous la forme de deux composantes uniquement, par exemple les deux composantes d'un repère fixe par rapport au stator, par exemple le repère de Clarke ou de Concordia.
  • Il est également proposé un procédé de fabrication d'un dispositif de commande d'un onduleur conçu pour fournir à des phases statoriques d'une machine électrique des tensions de phases alternatives à partir d'une source de tension continue, comportant :
    • la conception d'un module d'estimation par un procédé selon l'invention,
    • la fabrication du dispositif de commande de manière à ce qu'il comporte :
      • le module d'estimation,
      • un module de commande conçu pour commander l'onduleur à partir de la position angulaire estimée par le module d'estimation, de manière à faire tourner le rotor par rapport au stator.
  • Il est également proposé un dispositif de commande d'un onduleur selon la revendication 12.
  • Il est également proposé un système d'entraînement comportant :
    • une machine électrique, comportant :
      • un rotor,
      • un stator comportant trois phases statoriques,
    • une source de tension continue,
    • un onduleur conçu pour fournir aux phases statoriques des tensions de phases alternatives à partir de la source de tension continue de manière à faire tourner le rotor par rapport au stator,
    • un dispositif de mesure conçu pour mesurer les courants de phase parcourant respectivement les trois phases statoriques,
    • un dispositif de commande de l'onduleur selon l'invention.
    DESCRIPTION DES FIGURES
    • La figure 1 est un schéma illustrant un système d'entraînement selon l'invention.
    • La figure 2 est un schéma illustrant un système de conception d'un module d'estimation du système d'entraînement de la figure 1.
    • La figure 3 est un schéma-blocs illustrant un procédé de conception du module d'estimation du système d'entraînement de la figure 1.
    • La figure 4 illustre une répartition de points de fonctionnement d'une machine électrique du système d'entraînement de la figure 1.
    • La figure 5 est un ensemble de deux graphiques illustrant les résultats du module d'estimation du système d'entraînement de la figure 1.
    • La figure 6 est un schéma illustrant un autre système d'entraînement selon l'invention.
    • La figure 7 est un schéma illustrant un système de conception d'un module d'estimation du système d'entraînement de la figure 6.
    DESCRIPTION DÉTAILLÉE
  • En référence à la figure 1, un système d'entraînement 100 selon l'invention va à présent être décrit.
  • Le système d'entraînement 100 comporte tout d'abord une machine électrique 102 comportant un rotor 104 et un stator 106 comportant trois phases statoriques A, B, C. Dans l'exemple décrit, la machine électrique 102 est une machine synchrone à aimants permanents.
  • Le système d'entraînement 100 comporte en outre une source de tension continue 108 conçue pour fournir une tension continue V. Dans l'exemple décrit, la source de tension continue 108 comporte une batterie.
  • Le système d'entraînement 100 comporte en outre un onduleur 110 conçu pour respectivement fournir aux phases statoriques A, B, C des tensions de phases vA, vB, vc alternatives à partir de la source de tension continue 108, de manière à ce que des courants de phase iA, iB, ic parcourent les phases statoriques A, B, C et que le rotor 104 tourne par rapport au stator 106.
  • Les grandeurs attachées aux phases statoriques, c'est-à-dire les tensions de phase, les courants de phase, les consignes correspondantes, etc., peuvent être exprimés de plusieurs manières. Ils peuvent être exprimés sous forme naturelle, c'est-à-dire par l'ensemble des grandeurs statoriques individuelles, ou bien dans un repère attaché au stator 106 par deux composantes uniquement, par exemple dans le repère de Clarke par les deux composantes α et β, ou bien dans un repère tournant attaché au rotor 104 par deux composantes uniquement, par exemple dans le repère d-q par les deux composantes d et q.
  • Ainsi, dans la description et les revendications qui vont suivre, les grandeurs porteront une référence entre crochets lorsqu'elles sont évoquées indépendamment de la manière de les exprimer, et par les composantes les exprimant lorsqu'elles sont évoquées dans une représentation précise.
  • Par exemple, les courants de phase seront notés [i] lorsqu'ils sont évoqués indépendamment de la manière de les représenter. En revanche, ils seront notés iA, iB, iC lorsqu'ils sont exprimés sous leur forme naturelle, iα, iβ lorsqu'ils sont exprimés dans le repère de Clarke, et id, iq lorsqu'ils sont exprimés dans le repère d-q.
  • Le système d'entraînement 100 comporte en outre un dispositif de mesure 112 conçu pour mesurer les courants de phase iA, iB, ic parcourant respectivement les phases statoriques A, B, C.
  • Le système d'entraînement 100 comporte en outre un dispositif de commande 114 conçu pour commander l'onduleur 110 de manière à faire tourner le rotor 104 par rapport au stator 106.
  • Le dispositif de commande 114 comporte tout d'abord un module de conversion 116 conçu pour exprimer les courant de phase iA, iB, ic sous la forme de deux composantes uniquement. De préférence, les courant de phase iA, iB, ic sont exprimés dans un repère fixe, c'est-à-dire attaché au stator 106. Dans l'exemple décrit, ils sont exprimés dans le repère de Clarke sous la forme des composantes iα, iβ.
  • Le dispositif de commande 114 comporte en outre un module d'estimation 118 conçu pour estimer une position angulaire θ du rotor 104 par rapport au stator 106 à partir des courants de phase [i], dans l'exemple décrit à partir des courants de phase iα, iβ. En outre, dans l'exemple décrit, la position angulaire θ est exprimée sous la forme des deux variables sin(θ) et cos(θ). En effet, la position angulaire θ est utilisée dans le module 126 sous la forme des deux variables sin(θ) et cos(θ). En outre, l'utilisation des deux variables sin(θ) et cos(θ) permet d'éviter l'erreur de modulo 2π (c'est-à-dire la confusion entre θ et θ+ 2π).
  • Alternativement, le module d'estimation 118 pourrait être conçu pour estimer la position angulaire θ du rotor 104 à partir des courants de phase iA, iB, ic. Dans ce cas, le module de transformation 116 serait supprimé et le module d'estimation 118 recevrait directement les courants de phase iA, iB, ic mesurés par le dispositif de mesure 112.
  • Le dispositif de commande 114 comporte en outre un module de commande 120 conçu pour commander l'onduleur 110 à partir de la position angulaire θ du rotor 104 et d'une consigne de couple C*. Alternativement, la consigne de couple C* pourrait être remplacée ou bien complétée par une consigne de vitesse θ̇*.
  • Le module de commande 120 comporte un module 122 conçu pour déterminer, à partir de la consigne de couple C*, des consignes de courants de phase [i*] exprimées dans le repère d-q sous la forme des composantes id*, iq*.
  • Le module de commande 120 comporte en outre un module 124 conçu pour déterminer, à partir des consignes de courants de phase id*, iq*, des consignes de tensions de phase [v*] exprimées dans le repère d-q sous la formes des composantes vd*, vq*.
  • Le module de commande 120 comporte en outre un module de conversion 126 conçu pour convertir les consignes de tensions de phase vd*, vq* en consignes de tensions de phase [v*] exprimées dans le repère de Clarke sous la forme des deux composantes vα*, vβ*. Cette conversion nécessite la connaissance de la position angulaire θ du rotor 104, qui est fournie par le module d'estimation 118.
  • Le module de commande 120 comporte en outre un module 128 conçu pour commander l'onduleur 110 en fonction des consignes de tension de phase vα*, vβ*, de sorte que l'onduleur 110 fournissent aux phases A, B, C des tensions de phase vA, vB, vc respectives correspondant aux consignes de tension de phase vα*, vβ*.
  • Dans l'exemple décrit, le dispositif de commande 120 comporte un système informatique comportant une unité de traitement (non représentée) et une mémoire (non représentée) dans laquelle est enregistré un programme d'ordinateur destiné à être exécuté par l'unité de traitement. Ainsi, les modules décrits précédemment sont implémentés dans l'exemple décrit dans le programme d'ordinateur sous forme de modules informatiques destinés à être exécutés par l'unité de traitement.
  • Alternativement, tout ou partie des modules pourrait être implémenté sous forme matérielle, c'est-à-dire sous forme d'un circuit électronique ne faisant pas intervenir de programme d'ordinateur.
  • En référence à la figure 2, un système de conception 200 du module d'estimation 118 va à présent être décrit.
  • Le système de conception 200 comporte tout d'abord la machine électrique 106 et le dispositif de mesure 112 de la figure 1.
  • Le système de conception 200 comporte en outre un dispositif de mesure 202 de la position angulaire θ du rotor 104.
  • Le système de conception 200 comporte en outre un dispositif d'apprentissage 204.
  • Le dispositif d'apprentissage 204 comporte tout d'abord une mémoire 206.
  • Le dispositif d'apprentissage 204 comporte en outre un module d'acquisition 208 conçu pour enregistrer, dans la mémoire 206, les courants de phase [i] et de la position angulaire θ du rotor 104 mesurés par les dispositifs de mesure 112, 202.
  • Les mesures enregistrées sont désignées par la référence 210. Ainsi, chacune des mesures 210 associe les courants de phase [i] mesurés à la position angulaire θ mesurée pour un point de fonctionnement. Dans l'exemple décrit, un point de fonctionnement est défini par, d'une part, un couple fourni par la machine électrique 102 et, d'autre part, la vitesse de rotation θ̇ du rotor 104.
  • En outre, dans l'exemple décrit, le module d'acquisition 208 est conçu pour convertir les courants de phase iA, iB, ic reçus du dispositif de mesure 112 en courants de phase exprimés dans un repère fixe sous la forme de deux composantes. Dans l'exemple décrit, le repère de Clarke est utilisé et, dans les mesures 210, les courants de phase [i] sont exprimés sous la forme des deux composantes iα, iβ.
  • Le dispositif d'apprentissage 204 comporte en outre une fonction générique 212 enregistrée dans la mémoire 206. La fonction générique 212 est une fonction conçue pour recevoir des données d'entrée et pour fournir des données de sortie à partir des données d'entrée. En outre, la fonction générique 212 présente des paramètres destinés à être modifiés lors d'une phase d'apprentissage (« machine learning » en anglais) de manière à obtenir une fonction instruite 212.
  • Le dispositif d'apprentissage 204 comporte en outre un module d'apprentissage 214 conçu pour réaliser l'apprentissage de la fonction générique 212 à partir d'une première partie des mesures 210, appelées mesures d'apprentissage, afin d'obtenir une fonction instruite 212. Le module d'apprentissage 214 est conçu, pour chaque mesure d'apprentissage, pour utiliser les courants de phase [i] comme données et la position angulaire θ comme donnée de sortie de la fonction générique 212. Le module d'apprentissage 214 est conçu pour modifier les paramètres de la fonction générique 212 de sorte que, lorsque les données d'entrée, c'est-à-dire les courants de phase iα, iβ, sont appliquées à la fonction générique 212, cette dernière donne des résultats proches des données de sortie, c'est-à-dire les positions angulaires θ, respectives des mesures d'apprentissage.
  • La fonction générique 212 et l'apprentissage sont par exemple conformes à l'une des quatre méthodes d'apprentissage suivantes.
  • La première méthode d'apprentissage est la régression de machine de vecteur de support (en anglais : « Support Vector Machine regressor ») décrite dans les documents :
    • C-C. Chang, C-J. Lin, "LIBSVM: A Library for Support Vector Machines", http://www.csie.ntu.edu.tw ; et
    • A-J. Smola, B. Schölkopf, « A Tutorial on Support Vector Régression », Statistics and computing archive, Vol.14 Issue 3, 2004, pages 199-222.
  • La deuxième méthode d'apprentissage est la fonction de base radiale (en anglais : « Radial Basis Function » de machine de vecteur de support. Il s'agit d'une extension de la première méthode, décrite par exemple dans le document :
    • M. Hofmann, « Support Vector Machines - Kernels and the Kernel Trick », An elaboration for the Hauptseminar Reading Club SVM, 2006.
  • La troisième méthode d'apprentissage est un algorithme d'arbre de décision augmenté (en anglais : « boosted decision tree algorithm ») appelé régresseur AdaBoost (en anglais: « AdaBoost regressor»). Il est décrit par exemple dans les documents :
    • Y. Freund, R. Schapire, « A Decision-Theoretic Generalization of on-Line Learning and an Application to Boosting », Journal of computer and system science, 1995, pages 119-139 ; et
    • H. Drucker, « Improving Regressors using Boosting Techniques », ICML, 1997, Proceeding of the foorteenth International Conférence on Machine Learning, pages 107-115.
  • La quatrième méthode d'apprentissage utilise un réseau de neurones à trois couches (une couche d'entrée, une couche cachée et une de sortie). Par exemple, la couche d'entrée comporte autant de neurones que de données d'entrée, c'est-à-dire deux neurones dans l'exemple décrit où les données d'entrée sont les courants de phase iα, iβ. La couche de sortie comporte autant de neurones que de données de sortie, c'est-à-dire deux neurones dans l'exemple décrit où la position est exprimée par les deux variables sin(θ) et cos(θ). La couche cachée comporte par exemple entre deux et dix neurones. De préférence, la couche cachée comporte le nombre de neurones donné par la formule suivante: (nombre de neurones d'entrée + nombre de neurones de sortie)/2. Cette formule donne trois neurones dans la couche cachée dans l'exemple décrit. Le réseau de neurones est ainsi de petite taille, et la phase d'apprentissage est rapide et les calculs nécessaires pour faire tourner le modèle sont simples.
  • La quatrième méthode d'apprentissage a donné les meilleurs résultats.
  • Le module d'apprentissage 214 est en outre conçu pour tester la fonction instruite 212 à partir d'une deuxième partie des mesure, appelées mesures de test. Pour réaliser ce test, le module d'apprentissage 214 est conçu, pour chaque mesure de test, pour utiliser les courants de phase [i] comme données d'entrée de la fonction instruite 212 et pour obtenir une estimation de position angulaire en sortie de la fonction instruite 212. Le module d'apprentissage 214 est en outre conçu pour déterminer une erreur d'estimation en comparant l'estimation de position angulaire avec la position angulaire de la mesure de test. Le module d'apprentissage 214 est en outre conçu pour déterminer un score d'évaluation à partir des erreurs d'estimation et pour comparer le score d'évaluation avec un seuil prédéterminé pour déterminer la réussite ou non du test de la fonction instruite.
  • En référence à la figure 3, un procédé 300 de fabrication du dispositif de commande 114 va à présent être décrit.
  • Le procédé 300 comporte tout d'abord un procédé 302 de conception du module d'estimation 118.
  • Le procédé 302 comporte tout d'abord la mesure 304, par les dispositifs de mesure 112, 202, des courants de phase [i] et de la position angulaire θ du rotor 104 pour chacun de plusieurs point de fonctionnement de la machine électrique 106 et l'acquisition des mesures par le module d'acquisition 208. Ainsi, chacune des mesures 210 enregistrées associe les courants de phase [i] mesurés à la position angulaire θ mesurée pour un point de fonctionnement respectif. Dans l'exemple décrit, les courants de phase [i] sont sous la forme des deux composantes iα, iβ.
  • Le procédé 302 comporte en outre l'apprentissage 306, par le module d'apprentissage 214, de la fonction générique 212 à partir des mesures d'apprentissage.
  • Le procédé 302 comporte en outre le test 308, par le module d'apprentissage 214, de la fonction instruite 212 à partir des mesures de test.
  • Le procédé 300 en outre comporte, en cas de réussite du test, l'implémentation 310 de la fonction instruite 212 dans le module d'estimation 118 afin que ce dernier l'utilise pour estimer la position angulaire θ du rotor 104 à partir des courants de phase [i]. Dans le cas contraire, la fonction instruite 212 n'est pas implémentée dans le module d'estimation 118.
  • Le procédé 300 comporte en outre la fabrication 312 du dispositif de commande 114 de manière à ce qu'il comporte : le module d'estimation 118 utilisant la fonction instruite 212, et un module de commande 120 conçu pour commander l'onduleur 110 à partir de la position angulaire θ estimée par le module d'estimation 118 et d'une consigne de couple C*, de manière à faire tourner le rotor 104 par rapport au stator 106.
  • En référence à la figure 4, un exemple de répartition des points de fonctionnement dans le plan des vitesses de rotation θ̇ du rotor 104 (en abscisse en milliers de tours par minute) et du couple (en ordonnée en Newton-mètre) va à présent être décrit.
  • Les croix et les ronds indiquent les points de fonctionnement où des mesures sont effectuées, les ronds représentant le maximum de couple.
  • De préférence, la vitesse de rotation de chaque point de fonctionnement est séparée de la vitesse de rotation du plus proche point de fonctionnement par au plus 1 000 tours par minute. En outre, la valeur de couple de chaque point de fonctionnement est séparée de la valeur de couple du plus proche point de fonctionnement par au plus 25 N.m. Ainsi, l'ensemble du domaine de fonctionnement de la machine électrique 102 est bien couvert.
  • En référence à la figure 5, les résultats de l'utilisation de la quatrième méthode d'apprentissage vont à présent être décrits.
  • Le graphique du dessus représente l'évolution de la positon angulaire (en ordonnée, en radians) du rotor 104, mesurée par le dispositif de mesure 202, au cours du temps (an abscisse, en secondes). Dans le même temps, le module d'estimation 118 est utilisé pour estimer la position angulaire
  • Le graphique du dessous représente l'écart (en ordonnée, en radians) entre la position angulaire mesurée et la position angulaire estimée, au cours du temps (en abscisse, en secondes). Comme cela est visible, l'écart reste inférieur à 0,2 radian.
  • En référence à la figure 6, un autre système d'entraînement 600 selon l'invention va à présent être décrit.
  • Le système d'entraînement 600 est identique au système d'entraînement 100, si ce n'est que le module d'estimation 118 est conçu pour estimer la position angulaire θ du rotor 104 à partir, en plus des courants de phase [i], de tensions représentatives des tensions de phase [v]. Dans l'exemple décrit, les tensions représentatives sont les consignes de tension [v*]. En outre, dans l'exemple décrit, les consignes de tension [v*] sont exprimées dans le repère de Clarke sous la forme des composantes vα*, vβ*.
  • Alternativement, les tensions représentatives pourraient être les tensions de phase [v], par exemple mesurées par un dispositif de mesure adapté (non représenté). Ces tensions de phases [v] pourraient être utilisées par le module d'estimation 118 sous leur forme naturelle vA, vB, vC ou bien dans le repère de Clarke sous la forme des composantes vα, vβ.
  • En référence à la figure 7, un système de conception 700 du module d'estimation 118 de la figure 6 va à présent être décrit.
  • Le système de conception 700 est identique au système de conception 200, si ce n'est que tout d'abord le module d'acquisition 208 est conçu pour enregistrer, dans la mémoire 206, les courants de phase [i], les tensions représentatives et la position angulaire θ du rotor 104.
  • Ainsi, chacune des mesures 210 associe les courants de phase [i] mesurée et les tensions représentatives à la position angulaire θ mesurée pour un point de fonctionnement respectif.
  • Par ailleurs, dans ce mode de réalisation, le module d'apprentissage 214 est conçu, pour chaque mesure d'apprentissage, pour utiliser, en plus des courants de phase [i], les tensions représentatives comme données d'entrée de la fonction générique 212 et la position angulaire θ comme donnée de sortie de la fonction générique 212. Le module d'apprentissage 214 est conçu pour modifier les paramètres de la fonction générique 212 de sorte que, lorsque les données d'entrée, c'est-à-dire les courants de phase [i] et les tensions représentatives, sont appliquées à la fonction générique 212, cette dernière donne des résultats proches des positions angulaires θ respectives des mesures d'apprentissage.
  • Ainsi, dans l'exemple décrit, il y a quatre données d'entrée : iα, iβ, vα, vβ de sorte que le nombre de neurones de la couche d'entrée et de la couche caché est adapté en conséquence, conformément àce qui a été expliqué auparavant.
  • Le procédé 300 peut être utilisé pour la conception du module d'estimation 118 de la figure 6, si ce n'est que l'apprentissage de la fonction générique 212 et le test de la fonction instruite 212 sont réalisés à partir, en plus des courants de phase [i], des tensions représentatives.
  • La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment, mais est au contraire définie par les revendications qui suivent. Il sera en effet apparent à l'homme du métier que des modifications peuvent y être apportées.
  • En particulier, l'invention pourrait s'appliquer à d'autres types de machines électriques, par exemple à des machines asynchrones.
  • En outre, d'autres repères pourraient être utilisés pour exprimer les tensions de phase, les courants de phase et les consignes correspondantes.

Claims (13)

  1. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) destiné à estimer une position angulaire (θ) d'un rotor (104) d'une machine électrique (102) par rapport à un stator (106) de cette machine électrique (102) à partir de courants de phase ([i]) destinés à parcourir respectivement des phases statoriques (A, B, C) de la machine électrique (102), la conception du module d'estimation (118) étant caractérisée en ce qu'elle comporte :
    - la mesure (304) des courants de phase ([i]) et de la position angulaire (θ) du rotor (104) pour chacun de plusieurs points de fonctionnement de la machine électrique (102), de manière à obtenir une pluralité de mesures (210) associant chacune les courants de phase ([i]) à la position angulaire (θ),
    - l'apprentissage (306) d'une fonction générique (212) à partir d'une première partie des mesures, appelées mesures d'apprentissage, afin d'obtenir une fonction instruite (212), l'apprentissage (306) étant réalisé en utilisant les courants de phase ([i]) des mesures d'apprentissage comme données d'entrée de la fonction générique (212) et la position angulaire (θ) des mesures d'apprentissage comme donné de sortie de la fonction générique (212),
    - l'implémentation (310) de la fonction instruite (212) dans un module d'estimation (118) afin que le module d'estimation (118) utilise la fonction instruite (212) pour estimer la position angulaire (θ) du rotor (104) à partir des courants de phase ([i]).
  2. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 1, dans lequel, dans les mesures (210), les courants de phase ([i]) sont exprimés sous la forme de deux composantes (iα, iβ) uniquement, par exemple les deux composantes d'un repère fixe par rapport au stator (106), par exemple le repère de Clarke ou de Concordia.
  3. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 1, dans lequel, dans les mesures (210), les courants de phase ([i]) sont exprimés sous leur forme naturelle, c'est-à-dire sous la forme de composantes formées par respectivement les courants de phase (iA, iB, iC) individuels.
  4. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre :
    - le test (308) de la fonction instruite (212) à partir d'une deuxième partie des mesures, appelées mesures de test,
    et dans lequel l'étape d'implémentation (310) de la fonction instruite (212) dans le module d'estimation (118) est réalisée si le test est réussi, et n'est pas réalisée dans le cas contraire.
  5. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les points de fonctionnement sont définis par une vitesse de rotation du rotor (104) et par un couple fourni par la machine électrique (102).
  6. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 5, dans lequel la vitesse de rotation de chaque point de fonctionnement est séparée de la vitesse de rotation du plus proche point de fonctionnement par au plus 1 000 tours par minute.
  7. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 5 ou 6, dans lequel la valeur de couple de chaque point de fonctionnement est séparée de la valeur de couple du plus proche point de fonctionnement par au plus 25 N.m.
  8. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
    dans lequel le module d'estimation (118) est conçu pour estimer la position angulaire (θ) du rotor (104) à partir, en plus des courants de phase ([i]), de tensions ([v*]) représentatives de tensions de phase ([v]) appliquées respectivement aux phases statoriques (A, B, C) de la machine électrique (102), le procédé (302) comportant en outre l'obtention des tensions représentatives ([v*]) pour chacun des points de fonctionnement de la machine électrique (102), de sorte que chaque mesure (210) associe les courants de phase ([i]) et les tensions représentatives ([v*]) à la position angulaire (θ),et
    dans lequel, lors de l'apprentissage (306) de la fonction générique (212), les tensions représentatives ([v*]) sont utilisées, en plus des courants de phase ([i]), comme données d'entrée de la fonction générique (212).
  9. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 8, dans lequel les tensions représentatives ([v*]) sont des consignes de tensions de phase ([v*]).
  10. Procédé (302) de conception d'un module d'estimation (118) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel, dans les mesures (210), les tensions représentatives ([v*]) sont exprimées sous la forme de deux composantes (vα*, vβ*) uniquement, par exemple les deux composantes d'un repère fixe par rapport au stator (106), par exemple le repère de Clarke ou de Concordia.
  11. Procédé (300) de fabrication d'un dispositif de commande (114) d'un onduleur (110) conçu pour fournir à des phases statoriques (A, B, C) d'une machine électrique (102) des tensions de phases (vA, vB, vC) alternatives à partir d'une source de tension continue (108), comportant :
    - la conception (302) d'un module d'estimation (118) par un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10,
    - la fabrication (312) du dispositif de commande (114) de manière à ce qu'il comporte :
    - le module d'estimation (118),
    - un module de commande (120) conçu pour commander l'onduleur (110) à partir de la position angulaire (θ) estimée par le module d'estimation (118), de manière à faire tourner le rotor (104) par rapport au stator (106).
  12. Dispositif (300) de commande d'un onduleur (110) conçu pour fournir à des phases statoriques (A, B, C) d'une machine électrique (102) des tensions de phases (vA, vB, vc) alternatives à partir d'une source de tension continue (108), comportant :
    - un module d'estimation (118) conçu pour estimer une position angulaire (θ) d'un rotor (104) d'une machine électrique (102) par rapport à un stator (106) de cette machine électrique (102) à partir de courants de phase ([i]) destinés à parcourir respectivement des phases statoriques (A, B, C) de la machine électrique (102),
    - un module de commande (120) conçu pour commander l'onduleur à partir de la position angulaire (θ) du rotor (104), de manière à faire tourner le rotor (104) par rapport au stator (106),
    ledit module d'estimation (118) étant caractérisé en ce qu'il utilise une fonction instruite pour estimer ladite position angulaire (θ) du rotor à partir desdits courants de phase ([i]), ladite fonction instruite étant obtenue par l'apprentissage (306) d'une fonction générique (212) à partir d'une première partie d'une pluralité de mesures, appelée mesures d'apprentissage, associant chacune une mesure (304) des courants de phase ([i]) et une mesure de la position angulaire (θ) du rotor (104) pour chacun de plusieurs points de fonctionnement de la machine électrique (102), l'apprentissage (306) étant réalisé en utilisant les courants de phase ([i]) des mesures d'apprentissage comme données d'entrée de la fonction générique (212) et la position angulaire (θ) des mesures d'apprentissage comme donné de sortie de la fonction générique (212).
  13. Système d'entraînement (100 ; 600) comportant :
    - une machine électrique (102), comportant :
    - un rotor (104),
    - un stator comportant trois phases statoriques (A, B, C),
    - une source de tension continue (108),
    - un onduleur (110) conçu pour fournir aux phases statoriques (A, B, C) des tensions de phases (vA, vB, vC) alternatives à partir de la source de tension continue (108) de manière à faire tourner le rotor (104) par rapport au stator (106),
    - un dispositif de mesure (112) conçu pour mesurer les courants de phase (iA, iB, iC) parcourant respectivement les trois phases statoriques (A, B, C),
    - un dispositif de commande de l'onduleur selon la revendication 12.
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